HSDPA無線網(wǎng)絡(luò)合、分載頻規(guī)劃方案的研究

1、HSDPA 無線網(wǎng)絡(luò)合、分載頻規(guī)劃方案的研究0 引言WCDMA 是領(lǐng)先全球的3G 標(biāo)準(zhǔn)之一，在 5MHz 頻寬上支持特征各異的、 廣泛的業(yè)務(wù)種類。目前 3GPP 組織發(fā)布的 R4R99 標(biāo)準(zhǔn)定義的 WCDMA 系統(tǒng)，在理想情況下支持最高可達 2Mbit s 的用戶數(shù)據(jù)速率。然而，對于諸如視頻、流媒體和下載等對流量與延時要求較高的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，還需要系統(tǒng)提供更高的傳輸速率和更短的處理時延。為更好地發(fā)展數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)及與cdma1xEV-DO 、Wi-Fi 、WiMAX 等寬帶無線接入技術(shù)相競爭， 3GPP對空中接口作了改進，并在R5 版本中適時地引入了高速下行分組接入（HSDPA ）解決方案，以支持高達

2、14.4Mbit s 的下行峰值速率 1。HSDPA 技術(shù)是 WCDMA 在無線部分的增強與演進， 理論上有約 5 倍于 R99網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)吞吐量和約3 倍于 R99 系統(tǒng)的小區(qū)容量 2，被視為超 3G 的 3.5G技術(shù)。它不但支持高速率不對稱數(shù)據(jù)服務(wù)，而且在增大網(wǎng)絡(luò)容量的同時還能使運營商成本最小。引入 HSDPA 后的 WCDMA 網(wǎng)絡(luò)的基本結(jié)構(gòu)仍與R99 保持一致，且支持其終端與 R99 終端在同一載波上共存，僅在無線接口部分作了微小的變動，因此可為 WCDMA 更高數(shù)據(jù)傳輸速率和更高容量提供一條平穩(wěn)的演進途徑。1 / 8然而，也正是由于 HSDPA 可以與原 R99 設(shè)備在同一載頻共存，

3、且共享系統(tǒng)的功率資源和信道碼資源， 而其資源分配則是依據(jù)用戶需求實時動態(tài)調(diào)整的，因此給 HSDPA 無線網(wǎng)的規(guī)劃設(shè)計帶來了難度，即如何在合理分配系統(tǒng)資源、使得網(wǎng)絡(luò)性能最佳的同時又能提供一個簡便有效的方法去規(guī)劃該無線網(wǎng)絡(luò)。1HSDPA 技術(shù)特點簡述在 R99 版本的空中接口中，采用了擴頻因子可變的方式來適應(yīng)多業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)速率的需求，同時采取功率控制技術(shù)以克服 WCDMA 的遠近效應(yīng)。而 R5 版本中定義的 HSDPA 系統(tǒng)，通過在新增的高速下行共享信道 （ HS-DSCH）上采取固定擴頻因子為 16、支持最多 15 個碼并行的多碼傳輸方式來提供不同等級的數(shù)據(jù)速率，用戶之間以碼分和時分的方式加以區(qū)分。

4、為對無線鏈路做到快速響應(yīng)，以盡可能地提高下行分組數(shù)據(jù)速率，HSDPA采用了自適應(yīng)調(diào)節(jié)速度更快的自適應(yīng)編碼調(diào)制技術(shù)（AMC ）、混合自動重傳（ HARQ）和快速資源調(diào)度算法來替代R99 中的功控技術(shù)。a） AMC 是依據(jù)信道情況的瞬時變化，進行調(diào)制方式（16QAM 或 QPSK）和編碼格式（ 34 或 1 2 速率的 Turbo 編碼）的調(diào)整，使用戶達到盡可能高的數(shù)據(jù)吞吐率。b）HARQ 機制本身的定義是將FEC 和 ARQ 技術(shù)相結(jié)合的一種差錯控制方案，是指接收方在解碼失敗的情況下，保存接收到的數(shù)據(jù)， 并要求發(fā)送方重傳數(shù)據(jù)，接收方將重傳的數(shù)據(jù)和先前接收到的數(shù)據(jù)在解碼之前進行組合。2 / 8HA

5、RQ 技術(shù)不僅可以提高系統(tǒng)性能， 靈活調(diào)整有效碼元速率， 還可以補償由于采用鏈路適配所帶來的誤碼。它有兩種運行方式：軟合并和增量冗余（IR），后者的性能要優(yōu)于前者，但要求接收端有更大的內(nèi)存。c）快速資源調(diào)度算法則是基于信道條件，并兼顧公平性的原則來對系統(tǒng)資源進行調(diào)配，以獲得小區(qū)范圍內(nèi)最大的數(shù)據(jù)吞吐量。同時， HSDPA 將重傳與資源調(diào)度功能從RNC 移植入 NodeB 中新增的MAC-hs 功能實體上 4，并將一個最小傳輸時間間隔（ TTI ）縮短到 2ms（ 3 個時隙），從而有效地降低了終端和 NodeB 之間的處理時延，提升了用戶對信道變化的快速響應(yīng)能力。2HSDPA 系統(tǒng)載頻功率設(shè)置不

6、同于 CDMA2000 的增強版 1xEV-DO 技術(shù)， HSDPA 可同時支持與原WCDMAR99 設(shè)備在同一載頻或不同載頻上工作。a）在 HSDPA 建設(shè)初期，考慮到數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)開展程度并未十分充分，因此從有效利用現(xiàn)有的頻率及硬件資源，并為網(wǎng)絡(luò)向 HSDPA 技術(shù)演進提供一個相對經(jīng)濟及平滑的方案的角度考慮，運營商必會選擇與原R99 設(shè)備合載頻的方式來承載 HSDPA，由此涉及到如何在同一載頻上有效地分配功率及碼字資源，以使小區(qū)吞吐量達到最優(yōu)的問題。參考文獻 3 給出了一個特定情況下的系統(tǒng)仿真結(jié)果，其中同一載頻上話音與分組業(yè)務(wù)同時由R99 的專用信道（DCH ）和 R5HSDPA 的 HS-DS

7、CH 承載，并假設(shè)配有 1 個高速下行共享控制信道（ HS-SCCH）的 HSDPA 用戶最多可以分配53 / 8個 HS-DSCH 并行碼道，即單用戶最高數(shù)據(jù)速率可達3.6Mbit s，而 R99 信道則可以使用剩余的碼資源進行服務(wù)。由此可得到R99DCH 和 R5HS-DSCH 信道共同作用下的總小區(qū)平均吞吐量以及各自業(yè)務(wù)信道所承載的數(shù)據(jù)吞吐量?？梢钥吹?，隨著分配給HSDPA 功率的增加， HS-DSCH 所承載的吞吐量呈上升狀態(tài)；而 DCH 上的吞吐量則由于其所分配到的功率不斷減少而下降；同時，總小區(qū)平均吞吐量在分配給HSDPA 的功率值為 7W 以后達到飽和，約為 1.3Mbit s。

8、由此，可得到一個 R99 與 HSDPA 同載頻工作時的功率分配的系統(tǒng)仿真經(jīng)驗值，即設(shè)基站總發(fā)射功率為 20W，當(dāng)為 HSDPA 業(yè)務(wù)承載分配 7W 功率時，小區(qū)吞吐量性能可達最優(yōu)。將該功率配置應(yīng)用于下行鏈路預(yù)算中核算下行功率負載因子，進而得到在當(dāng)前的用戶及業(yè)務(wù)分布模型下的合載頻方案的可行性。參考文獻 3 還仿真出在小區(qū)內(nèi)僅存在R99 終端時的總小區(qū)平均吞吐量約為780kbit s。相比引入 HSDPA 技術(shù)后的 1.3Mbit s 的吞吐量來說，合載頻方式下 HSDPA 系統(tǒng)有將近 70%的小區(qū)容量增益。 該增益主要是由快速資源調(diào)度算法所得的多用戶分集增益以及 AMC HARQ 技術(shù)所帶來的

9、高 頻譜利用率 而得到的。由此可看到引入 HSDPA 系統(tǒng)后的性能相對于原 R99 網(wǎng)絡(luò)有了很大程度的提高。b）當(dāng)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)激增，導(dǎo)致系統(tǒng)負荷超過原有載頻的承載能力時，系統(tǒng)會啟用第二載頻。此時，該第二載頻是采取獨立承載HSDPA 數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，還是混合承載 R99 與 HSDPA 業(yè)務(wù)則依然取決于當(dāng)時的業(yè)務(wù)及用戶特性。4 / 8若采取 R99 與 HSDPA 分載頻獨立設(shè)置方案，則考慮到HSDPA 系統(tǒng)在HS-DSCH 上是以速率控制替代了R99 的功率控制， 因此在每個 TTI 內(nèi)是以滿功率發(fā)射的。在除去部分 信令開銷后，余下功率資源均可應(yīng)用于HSDPA 業(yè)務(wù)承載。3HSDPA 合分載頻規(guī)劃方

10、案分析作為 WCDMA 系統(tǒng)的數(shù)據(jù)增強技術(shù)， HSDPA 無線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃的目的就是要根據(jù)其技術(shù)特點， 在基于混合多業(yè)務(wù)模型下，綜合考慮容量、 覆蓋及質(zhì)量平衡等問題，以一定的區(qū)域可靠度為覆蓋目標(biāo)，確定一個處于最佳均衡點的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。其中，由上下行業(yè)務(wù)分布預(yù)測所進行的上下行負載因子核算是實現(xiàn)HSDPA無線覆蓋與容量最佳平衡的關(guān)鍵步驟。3.1 業(yè)務(wù)模型定義業(yè)務(wù)模型是用來反應(yīng)各個業(yè)務(wù)環(huán)境下用戶在進行混合業(yè)務(wù)時，各等級無線承載業(yè)務(wù)（RAB ）的使用比例，并用于估算每用戶平均業(yè)務(wù)愛爾蘭或數(shù)據(jù)吞吐量值。在 R99 與 HSDPA 用戶共同存在的環(huán)境下， 需分別定義 R99 及 HSDPA 用戶業(yè)務(wù)模型，以符合各

11、自的業(yè)務(wù)特征。3GPP定義 R99 的 5 種基本承載為AMR12.2k 、CS64k、 PS64k、PS128k 及PS384k?？紤]到引入 HSDPA 后下行業(yè)務(wù)速率等級的提升，并參考 3GPP 規(guī)范所定義的 HSDPA 終端 12 種典型業(yè)務(wù)承載速率 6，在 HSDPA 業(yè)務(wù)模型中的下行分組域新增 3 種基本承載： PS534k、 PS800k及 PS1600k，分別對應(yīng)規(guī)范中的H-SET1、H-SET5 及 H-SET3 模式中 QPSK 調(diào)制、 5 個并行碼道傳輸方式的信息速率 1。5 / 83.2 上行鏈路預(yù)算及負載因子核算WCDMA 系統(tǒng)表現(xiàn)為覆蓋上行受限，因此上行鏈路預(yù)算的目的

12、在于確定一系列規(guī)劃目標(biāo)與參數(shù)后，得出各種無線環(huán)境下的小區(qū)平衡覆蓋半徑?？紤] HSDPA 在上行新增了物理層的HS-DPCCH，用于傳送下行無線信道質(zhì)量 CQI 及 HARQ 過程的反饋信息（ ACK NACK ），這將導(dǎo)致上行鏈路一定的附加誤碼率及增加終端傳輸?shù)姆寰龋?PAR），因此 HSDPA 上行業(yè)務(wù)信道比R99 版本要求有較高的接收Eb/N0，以及終端需預(yù)留部分功率儲備來支持傳輸?shù)淖V效率，從而影響其上行覆蓋。參考文獻 6 指出，在預(yù)規(guī)劃上行鏈路、保證PS64k 數(shù)據(jù)速率覆蓋能力時，該影響可以忽略。而通常在做密集市區(qū)WCDMAR99 無線網(wǎng)規(guī)時，均以CS64k為上行連續(xù)覆蓋目標(biāo)，其要求略

13、高于 PS64k，因此本文中 HSDPA 上行規(guī)劃 Eb/N0目標(biāo)值及系統(tǒng)參數(shù)的確定可參考R99 網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)。HSDPA R99 混合小區(qū)上行負載因子驗證值41.5%為迭代后的平衡值，小區(qū)覆蓋半徑基本受限于CS64k 的可視電話 業(yè)務(wù)，其最大允許路徑損耗為124dB，而 0.43km 的小區(qū)平衡覆蓋半徑則根據(jù)平衡負載因子迭代計算所得?？梢?，原基于預(yù)規(guī)劃上行負載50%的 R99 無線網(wǎng)小區(qū)覆蓋規(guī)劃基本適用于本文業(yè)務(wù)模型下的HSDPA R99 混合無線網(wǎng)， 由此，基站的覆蓋范圍初步框定。鑒于引入 HSDPA 后用戶下行業(yè)務(wù)激增， 需通過下行鏈路預(yù)算來核算其下行容量是否受限。3.3 下行鏈路預(yù)算及負

14、載因子核算6 / 8在 WCDMA 系統(tǒng)中，由于下行所有用戶共享基站恒定的發(fā)射功率，因此，隨著網(wǎng)絡(luò)容量的上升， 負載增大， 各用戶分配到的功率不斷下降， 導(dǎo)致下行鏈路所允許的最大路徑損耗無法與上行達到平衡， 從而影響到基站的覆蓋能力。 因此，下行鏈路的預(yù)算及其負載因子的核算就顯得尤為重要。針對 HSDPA 系統(tǒng)來說，需根據(jù)不同建設(shè)階段的用戶業(yè)務(wù)特性來采取 HSDPA合載頻或獨立載頻的承載方式，而基于 HSDPA 下行鏈路預(yù)算所得的系統(tǒng)下行負載因子則是決定合分載頻方案的關(guān)鍵指標(biāo)。由此結(jié)合上行預(yù)算所得的覆蓋范圍，才能得到一個覆蓋及容量結(jié)構(gòu)平衡的無線網(wǎng)絡(luò)。3.3.1 下行部分公共信道功率核算在 WCDMA 系統(tǒng)中，下行鏈路功率的一部分必須分配給與業(yè)務(wù)無關(guān)的、連續(xù)發(fā)射的公共信道，包括公共導(dǎo)頻信道（ CPICH）、同步信道（ SCH）及公共控制物理信道（ CCPCH）等，從而占用可能分配給業(yè)務(wù)信道的小區(qū)容量，同時，其功率